Wysoce elastyczna, zautomatyzowana i zdigitalizowana produkcja Jelly Roll z opcjami testowania

System nawijania umożliwia zautomatyzowaną i zdigitalizowaną produkcję rolki żelowej w różnych formatach i wzorach, przy czym jakość jest kontrolowana na bieżąco. (Źródło zdjęcia: Fraunhofer IPA/zdjęcie: Rainer Bez) / The winding system, which also features an inline quality check, enables the automated and digitized manufacture of jelly rolls in different designs and formats. (Photo credit: Fraunhofer IPA/ photo: Rainer Bez)

Dla kontaktowania z zespawanymi kolektorami prądu robot umieszcza zakładki na anodzie i katodzie, które następnie łączy się za pomocą ultradźwiękowego urządzenia spawalniczego. (Źródło zdjęcia: Fraunhofer IPA / zdjęcie: Rainer Bez)

Nacinanie anody i katody odbywa się za pomocą zintegrowanego systemu cięcia laserowego. Różne opcje kontaktowania można dowolnie łączyć. (Źródło zdjęcia: Fraunhofer IPA/ Zdjęcie: Rainer Bez) / The anode and cathode are notched using an integrated laser cutting system. The various contacting options can be combined as required. (Photo credit: Fraunhofer IPA/ photo: Rainer Bez)

Pojemnik buforowy zapewnia, że podczas ciągłego procesu nawijania zawsze dostarczana jest wystarczająca ilość materiału katodowego i anody. (Źródło zdjęcia: Fraunhofer IPA / zdjęcie: Rainer Bez) / The buffer ensures that sufficient cathode and anode material is always fed to the continuous winding process. (Photo credit: Fraunhofer IPA/ photo: Rainer Bez)

Jakość zwijadeł jest kontrolowana w systemie za pomocą testu Hi-Pot. Dokładność wymiarowa geometrii zwijadła oraz pozycja kolektora prądu jest sprawdzana za pomocą optycznej inspekcji inline. Komórki, które nie spełniają standardów, są automatycznie wycofywane z linii. (Źródło zdjęcia: Fraunhofer IPA/ Zdjęcie: Rainer Bez)

Akumulatory są w elektromobilności i innych zastosowaniach kluczowym elementem magazynowania energii – oraz istotnym czynnikiem kosztowym. Aby znacznie zmniejszyć wskaźniki odrzutów, podnieść jakość i opracować innowacyjne projekty ogniw, w Centrum Produkcji Cyfrowych Komórek Baterii (ZDB) Fraunhofer IPA powstała zautomatyzowana i zdigitalizowana linia produkcyjna cylindrycznych ogniw baterii. Kluczowym elementem jest tu urządzenie do formatu i projektowej elastyczności, w pełni automatyczna produkcja nawijania, obejmująca różne możliwości testowania od systemów acp.

W przypadku samochodu elektrycznego, akumulator trakcyjny stanowi około 40 procent kosztów pojazdu. Najdroższym komponentem są komórki baterii, które stanowią nawet do 80 procent kosztów, przy czym coraz większą popularnością cieszą się cylindryczne formaty ogniw. Ich produkcja, obejmująca w dużej mierze etapy wytwarzania elektrod, nawijania i montażu, napełniania elektrolitem oraz formowania, jest niezwykle skomplikowana. Wysokie wskaźniki odrzutów stanowią zatem problem – przy konserwatywnym założeniu od 10 do 15 procent, w fabryce o mocy 1 GWh rocznie od 100 do 150 milionów ogniw jest odrzucanych. To oznacza ogromny potencjał do redukcji kosztów. Kolejnym punktem wyjścia do obniżenia kosztów są innowacyjne formaty i projekty ogniw cylindrycznych. Aby wykorzystać te możliwości, konieczne jest dostosowanie i rozwój procesów produkcyjnych z uwzględnieniem aspektów ekonomicznych i ekologicznych.

Z cyfrowymi, sieciowymi procesami do wyższej jakości

To jedno z zadań Centrum Produkcji Cyfrowych Komórek Baterii (ZDB), założonego w 2018 roku w Instytucie Fraunhofer IPA ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji. „Naszym punktem wyjścia było to, że poprzez automatyzację, digitalizację i sieciowe powiązanie całego łańcucha wartości w produkcji, dzięki sprzężeniom zwrotnym i informacjom sensorycznym można optymalizować poszczególne procesy i wcześniej, lepiej identyfikować odrzuty. To przyczynia się do znaczącego zwiększenia jakości ogniw i widocznego obniżenia kosztów” – relacjonuje prof. dr hab. inż. Kai Peter Birke, dyrektor ds. systemów baterii i wodoru oraz magazynów w IPA. W ramach ZDB powstała kompletna, zdigitalizowana i sieciowa linia produkcyjna cylindrycznych ogniw do baterii litowo-jonowych i sodowo-jonowych. Umożliwia ona optymalizację istniejących procesów produkcyjnych oraz ich adaptację do nowych formatów ogniw do 46xx, a także produkcję prototypów w małych seriach do 1000 sztuk.

Elastyczne nawijanie „Jelly Rolls” w linii produkcyjnej

Serce tej linii stanowi nawijarka opracowana wspólnie z producentem maszyn i urządzeń acp systems, umożliwiająca formatowo i projektowo elastyczne nawijanie „Jelly Rolls”. „Rozmawialiśmy o tym z innymi producentami maszyn, ale okazało się, że nie dysponowali elastycznością, aby sprostać naszym specyficznym wymaganiom i chęciom, i zainicjować wspólny rozwój” – wspomina Kai Peter Birke. Wymagania obejmowały z jednej strony, aby maszyna mogła nawijanie „Jelly Rolls” zarówno dla bardzo małych, jak i dużych ogniw. Z drugiej strony, konieczne było zintegrowanie różnych rozwiązań dla kontaktowania/odprowadzania prądu (zakładek), w tym z zakładkami spawanymi, a także bezzakładkowymi, z laserowymi rowkami (notching) i ciągłymi bez rowków. Kluczowe było, aby rozwiązania kontaktowe mogły być dowolnie łączone. Dodatkowo, urządzenie miało zawierać różne opcje testowe do kontroli jakości nawijania i obsługiwać wszystkie materiały stosowane w wysokowydajnych cylindrycznych ogniwach.

Modułowa koncepcja urządzenia dla różnych etapów procesu

Zaprojektowano je w modułowej koncepcji z czterema stanowiskami. Na pierwszym stanowisku znajdują się zwoje z anodową i katodową folią, które początkowo są równolegle rozwijane i definiowane. Podczas całego procesu sterowanie krawędziami taśm zapewnia, że folie są zawsze precyzyjnie prowadzone.

W pierwszym stanowisku odbywa się również kontaktowanie z użyciem spawanych przewodników prądowych. Robot układa zakładki na anodzie i katodzie, które następnie są łączone za pomocą głowicy ultradźwiękowego spawania. Drugie stanowisko zawiera system laserowego cięcia (notching), który może obrabiać zarówno anodę, jak i katodę. Dodatkowo zintegrowano układ odwracający, który przesuwa folie bocznie do poziomu nawijania, umożliwiając bezkontaktowe nakładanie się na siebie w trzecim module. Tam znajdują się dwa kolejne zwoje z separatorami. Sam proces nawijania rozpoczyna się od włożenia separatorów do rdzenia nawijania. Po kilku obrotach folia anody jest wsuwana od góry między dwa separatorowe. Chwytak przesuwa następnie katodową folię do rdzenia. Gdy to nastąpi, rozpoczyna się właściwy proces nawijania. W ostatnim module zwoje najpierw przechodzą test wysokiego napięcia (Hi-Pot), aby wykluczyć późniejsze zwarcia w ogniwie. Następnie przeprowadzana jest inspekcja optyczna inline, sprawdzająca zgodność wymiarów ogniwa pod kątem geometrii nawijania i położenia przewodników. Ogniwa, które przejdą oba testy, są umieszczane na uchwycie i kierowane do kolejnej fazy produkcji. Ogniwa N.i.O. są automatycznie odrzucane. „Dzięki bardzo ścisłej, otwartej i bezpośredniej współpracy z acp, otrzymaliśmy maszynę dokładnie odpowiadającą naszym oczekiwaniom. To stworzyło optymalną podstawę, którą rozwijamy dalej, opracowując urządzenie do dozowania elektrolitu” – podkreśla Kai Peter Birke.

Optymalne dopasowanie do indywidualnych wymagań dzięki modułowości

Wielką zaletą tej nawijarki, zaprojektowanej według zasady modułowej, jest możliwość jej zastosowania w seryjnej produkcji cylindrycznych ogniw baterii. Umożliwia ona wytwarzanie nawijek o średnicy do 60 mm i długości do 110 mm. Prędkość nawijania może sięgać nawet 2,5 metra na sekundę. Rozwiązania dla kontaktowania i opcje testowe można dowolnie dostosować do specyficznych wymagań przedsiębiorstwa. Ponadto, po etapach procesu, w których mogą powstawać cząstki, takich jak ultradźwiękowe spawanie czy cięcie laserowe, można zintegrować dodatkowy suchy i bezpozostałościowy proces czyszczenia, oszczędzając miejsce.